[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Beleuchtungseinrichtung für eine Beobachtungseinrichtung gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Beobachtungseinrichtung gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 15.
[0002] Bei einer Beobachtungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Operationsmikroskop handeln. Insbesondere kann die Beobachtungseinrichtung als ophthalmologisches Operationsmikroskop ausgebildet sein, das beispielsweise für eine spezielle Anwendung in der Augenchirurgie eingesetzt wird, nämlich der Kataraktchirurgie.
[0003] Bei der Kataraktchirurgie wird eine - beispielsweise durch den grauen Star getrübte - Augenlinse durch eine Kunstlinse ersetzt.
[0004] Die Augenlinse eines Auges befindet sich in einer dünnen Umhüllung, der sogenannten Linsenkapsel.
Zur Entfernung der Augenlinse wird durch einen dünnen Schnitt in die Linsenkapsel ein Zugang zur Augenlinse geschaffen und die Augenlinse mit einem mikrochirurgischen Gerät zunächst in kleine Einzelstücke zerteilt, die dann mittels einer Absaugvorrichtung entfernt werden.
[0005] Dieser Vorgang findet unter mikroskopischer Beobachtung - beispielsweise unter stereomikroskopischer Beobachtung - unter Einsatz einer für solche Eingriffe speziell ausgelegten Beleuchtungseinrichtung statt. Diese Beleuchtungseinrichtung stellt sowohl eine für die Ausleuchtung des gesamten Operationsfelds notwendige Umfeldbeleuchtung als auch eine für die Kataraktoperation entscheidend wichtige rote Hintergrundbeleuchtung für das eigentliche auf den Pupillenbereich der Augenlinse begrenzte Operationsfeld dar.
Diese rote Hintergrundbeleuchtung rührt von dem Anteil des Beleuchtungslichts her, der über die transparenten Augenmedien schliesslich auf die wegen einer guten Durchblutung rot erscheinenden Netzhaut trifft, von dieser zurückgestreut wird und dann natürlich über das Operationsmikroskop auch vom Chirurgen als rot erscheinende Hintergrundbeleuchtung beobachtet werden kann. Diese in der Kataraktchirurgie ganz charakteristische rote Hintergrundbeleuchtung ist in Fachkreisen allgemein unter dem Begriff "roter Reflex" bekannt.
[0006] Für eine optimale Erkennung der für die Kataraktoperation relevanten Details erweist sich für den Operateur eine möglichst homogene rote Hintergrundbeleuchtung als eine notwendige Voraussetzung.
Eine erste Anforderung an die Beleuchtungseinrichtung ist also, eine möglichst gute Homogenität des roten Reflexes über die gesamte Patientenpupille zu gewährleisten.
[0007] Zur vollständigen Beseitigung der Linsenreste der in winzige Teilstücke zerkleinerten Augenlinse und zur guten Erkennung von durchsichtigen Membranen, beispielsweise von der Linsenkapsel, muss eine weitere Anforderung erfüllt werden, nämlich eine gute Kontrastierung von Phasenobjekten, und zwar möglichst auch über die gesamte Patientenpupille.
[0008] In der Vergangenheit sind im Zusammenhang mit der Erzeugung einer solchen roten Hintergrundbeleuchtung bereits verschiedene Lösungen bekannt geworden.
[0009] In der US-A-4 779 968 ist eine koaxiale Beleuchtung für ein Operationsmikroskop beschrieben.
Gemäss dieser Lösung ist ein Beleuchtungsmodul vorgesehen, das als Zusatzbaustein an vorhandene Operationsmikroskope nachträglich eingebaut werden kann. Dieser Zusatzbaustein wird vorzugsweise objektseitig unterhalb des Hauptobjektivs der Beobachtungseinrichtung angebracht. Die Beleuchtungseinkopplung auf der Mikroskopachse erfolgt entweder mit einer Teilerplatte oder einem Teilerwürfel.
[0010] In der DE 4 028 605 C2 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Operationsmikroskop beschrieben, welches eine Kombination von Null-Grad-, Koaxial- und Schrägbeleuchtung zulässt. Dazu verfügt die Beleuchtungseinrichtung über verschiebbare Teilspiegel sowie einen festen Sechs-Grad-Spiegel samt den jeweiligen variierbaren Blenden, womit der Beleuchtungswinkel und die Lichtanteile der jeweiligen Beleuchtungsrichtung variiert werden können.
Der Schwerpunkt dieser bekannten Lösung liegt in der Kontraststeigerung mittels einer Koaxialbeleuchtung, wobei es sich bei der Koaxialbeleuchtung um eine achsnahe Schrägbeleuchtung handelt.
[0011] In der DE 19 638 263 A1 ist ein ophthalmologisches Beobachtungsgerät offenbart, bei dem der bei Beleuchtung eines Patientenauges zur Beobachtung der vorderen Augenabschnitte unvermeidliche Hornhautreflex unterdrückt werden soll. Dies geschieht durch Anbringen eines Lichtabsorbers in Form eines schwarzen Punkts in der Nähe einer Leuchtfeldblende einer ansonsten bekannten Beleuchtung.
[0012] In der US-A-6 011 647 ist ein umschaltbares Beleuchtungssystem für ein ophthalmologisches Operationsmikroskop beschrieben, bei dem zwischen einer Umfeldbeleuchtung und einer optimierten "roter Reflex"-Beleuchtung während der Operation umgeschaltet werden kann.
Die Beleuchtungseinrichtung besteht aus Lichtquelle, Kollektor, Leuchtfeldblende, Umlenkspiegel, Feldlinse und Hauptobjektiv. Bei dieser optimierten "roter Reflex"-Beleuchtung wird dann nicht wie bei der Umfeldbeleuchtung die Leuchtfeldblende, sondern die Wendel der Lichtquelle in die Augenpupille als Objektebene abgebildet.
[0013] In der EP 1 109 046 A1 ist schliesslich eine Beleuchtungseinrichtung für ein Operationsmikroskop offenbart, die zwei unabhängig voneinander verschiebbare Reflexionselemente aufweist,
mittels derer sowohl die Winkel des einfallenden Lichtes mit der optischen Achse des Mikroskopobjektivs als auch die Intensität der verschiedenen Lichtstrahlen unabhängig voneinander verändert werden können.
[0014] In der chronologischen Abfolge der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsvorschläge wurde zunächst eine "rote Reflex"-Beleuchtung unter exakt Null Grad favorisiert. Der Vorteil einer solchen Nullgrad-Beleuchtung beziehungsweise einer echten koaxialen Beleuchtung liegt in der Erzeugung einer guten Homogenität des roten Reflexes.
Die weiter oben beschriebene zweite Grundforderung einer guten Kontrastierung der Linsenreste in der Linsenkapsel und die Darstellung der Kapselmembran wird durch die bekannten Beleuchtungssysteme mit Nullgrad-Beleuchtung jedoch nicht hinreichend erfüllt.
[0015] Ein nächster Entwicklungsschritt führte dann zur achsnahen Beleuchtung (auch koaxiale Beleuchtung genannt), um eine Verbesserung der Kontrastierung zu erreichen. Durch den mehr oder weniger grossen Winkel zwischen der Beobachtungsachse und der Beleuchtungsachse erhält man jedoch eine mehr oder weniger starke Abschattung des roten Reflexes, also den Nachteil einer Inhomogenität des roten Reflexes. Letztendlich stellt die koaxiale Beleuchtung eine Kompromisslösung zwischen Schrägbeleuchtung und Nullgrad-Beleuchtung dar.
Der Vorteil einer verbesserten Kontrastierung führt folglich zu einer Verschlechterung der Homogenität.
[0016] Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsvorschläge weisen allesamt den Nachteil auf, dass die Forderungen bezüglich Homogenität und Kontrastierung in Folge der dabei zwangsläufig auftretenden Widersprüche nicht gleichzeitig erfüllt werden können.
[0017] Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung sowie eine Beobachtungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die beschriebenen Nachteile vermieden werden können.
Insbesondere soll eine Beleuchtungseinrichtung sowie eine Beobachtungseinrichtung bereitgestellt werden, mit der/denen eine optimale Problemlösung der praktischen Anforderungen bezüglich Homogenität des roten Reflexes bei gleichzeitig hinreichend guter Kontrastierung der Linsenreste beziehungsweise Membranen in der Linsenkapsel realisierbar ist.
[0018] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen gemäss dem unabhängigen Patentanspruch 1, die Beobachtungseinrichtung mit den Merkmalen gemäss dem unabhängigen Patentanspruch 15 sowie die besonderen Verwendungen gemäss den unabhängigen Patentansprüchen 24 und 25. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Beobachtungseinrichtung, und umgekehrt. Entsprechendes gilt für die besonderen Verwendungen.
[0019] Der Wesensinhalt der erfindungsgemässen Lösung liegt daher zunächst in einer neuen Konzeption der Beleuchtungseinrichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lösung der Aufgabenstellung erfindungsgemäss durch das wohldefinierte Zusammenwirken des Beobachtungsstrahlengangs mit einem zumindest zum Teil neu konzipierten Beleuchtungsstrahlengangs erfolgt, und zwar mit ganz bestimmten optischen Abbildungseigenschaften des verflochtenen Strahlengangs von Leuchtfeldabbildung und Pupillenabbildung, in diesem Fall also der Abbildung der Lichtquelle.
[0020] Eine Grundvoraussetzung für dieses Zusammenwirken besteht darin, dass bezüglich der optischen Abbildungseigenschaften des Beleuchtungsstrahlengangs wesentlich höhere Anforderungen an die Korrektionsbedingungen für die auftretenden optischen Abbildungsfehler (Aberrationen) gestellt werden müssen,
als bei konventionellen Beleuchtungseinrichtungen allgemein üblich ist.
[0021] Wie in Bezug auf die Beleuchtungseinrichtung weiter unten noch verdeutlicht wird, kann diese Grundforderung mit einem minimalen Aufwand an optischen Komponenten erreicht werden.
[0022] Gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Beleuchtungseinrichtung für eine Beobachtungseinrichtung, insbesondere für ein Operationsmikroskop, bereitgestellt, mit einer Lichtquelle und mit optischen Elementen, die zwischen der Lichtquelle und einem Objektivelement vorgesehen sind.
Die Beleuchtungseinrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Abbildung der Beleuchtungspupille auf den Fundus des zu beobachtenden Objekts erfolgt.
[0023] Es entsteht für die Abbildung der Beleuchtungspupille vor dem zu beobachtenden Objekt, also dem Patientenauge, ein virtuelles Bild. Die Lage dieses virtuellen Bildes entspricht dem konjugierten Bildort des Fundus, variiert also mit der Fehlsichtigkeit des Auges. Insbesondere liegt dieses virtuelle Bild dann bei einem rechtsichtigen Auge im Fernpunkt des Auges.
[0024] Erfindungsgemäss ist die Beleuchtungseinrichtung für eine Beobachtungseinrichtung vorgesehen, wobei die Erfindung jedoch nicht auf bestimmte Typen von Beobachtungseinrichtungen beschränkt ist.
Beispielsweise, jedoch nicht ausschliesslich, kann es sich bei der Beobachtungseinrichtung um ein Operationsmikroskop handeln. Einige nicht ausschliessliche Beispiele für mögliche Einsatzzwecke auf dem Gebiet der Operationsmikroskope sind im Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Beobachtungseinrichtung näher beschrieben.
[0025] Die Beleuchtungseinrichtung weist zunächst eine Lichtquelle auf, wobei die Erfindung jedoch nicht auf bestimmte Typen von Lichtquellen beschränkt ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Lichtquelle aus wenigstens einer Lampe oder wenigstens einem Lichtleiter oder wenigstens einer Licht emittierenden Diode (LED) gebildet ist. Natürlich sind auch andere Ausgestaltungsformen oder Kombinationen verschiedener Ausgestaltungsformen für die Lichtquelle denkbar.
Im weiteren Verlauf wird die Lichtquelle verschiedentlich in Form eines Lichtleiters beschrieben, ohne dass die Erfindung auf dieses konkrete Beispiel beschränkt wäre.
[0026] Darüber hinaus weist die Beleuchtungseinrichtung ein Objektivelement auf. Vorteilhaft handelt es sich dabei um ein Objektivelement, das ebenfalls als Objektivelement der Beobachtungseinrichtung, insbesondere als deren Hauptobjektiv, ausgebildet ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
[0027] Weiterhin sind in der Beleuchtungseinrichtung verschiedene optische Elemente vorgesehen, die zwischen der Lichtquelle und dem Objektivelement angeordnet sind.
[0028] Dabei sind die optischen Elemente erfindungsgemäss derart ausgebildet und angeordnet, dass für die Abbildung der Beleuchtungspupille vor dem zu beobachtenden Objekt ein virtuelles Bild entsteht.
Bei der "Beleuchtungspupille" handelt es sich ursächlich um die Abbildung der Lichtquelle, z.B. das Faserende des Lichtleiters, oder aber auch um die Abbildung eines Zwischenbilds der Lichtquelle, wobei dieses Zwischenbild auch noch durch eine Aperturblende zur Steuerung der ausfallenden Lichtmenge begrenzt werden kann.
[0029] Die erfindungsgemässe Beleuchtungseinrichtung wird insbesondere zur Erzeugung des "roten Reflexes" eingesetzt. Zur Erzeugung des roten Reflexes trägt primär nur ein Teil des Beleuchtungslichts bei, und zwar jener, der auf entsprechende Strahlenbüschelquerschnittsflächen auf der Netzhaut des zu untersuchenden Auges trifft und von dort in den Halbraum zurückgestreut wird, wobei wiederum nur der Anteil des exakt in die entsprechenden Beobachtungsstrahlenkegel zurückgestreuten Lichts vom Beobachter als roter Reflex wahrgenommen werden kann.
Bei gleicher Bestrahlungsstärke durch die Beleuchtung ist die Intensität des roten Reflexes in den entsprechenden Bildzonen direkt proportional dem Ausleuchtungsgrad der Strahlenbüschelquerschnittsflächen auf der Netzhaut.
[0030] Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung wird erreicht, dass die Abbildung der Beleuchtungspupille auf den Fundus des Auges erfolgt. Insbesondere erhält man dann für den Fall, dass das ausgeleuchtete Bild der Gerätepupille auch auf der Netzhaut liegt, für alle Bildpunkte einen gleich intensiven, homogenen roten Reflex.
Diese Homogenität des roten Reflexes ändert sich auch nicht bei partieller Ausleuchtung des Bilds der Gerätepupille, beispielsweise bei einer Schrägbeleuchtung oder dergleichen, wobei aber die Intensität je nach Ausleuchtungsgrad zu- oder abnimmt.
[0031] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung ein erstes optisches Element und eine erste Blende aufweist, wobei es sich bei der Blende beispielsweise um eine Leuchtfeldblende handeln kann. Diese erste Blende wird dann mit dem ersten optischen Element ausgeleuchtet.
[0032] Weiterhin kann ein zweites optisches Element und eine zweite Blende vorgesehen sein, wobei es sich bei der zweiten Blende beispielsweise um eine Aperturblende handeln kann.
Mittels des ersten und zweiten optischen Elements wird dann die Lichtquelle in ein Zwischenbild abgebildet, das durch eine Aperturblende begrenzt sein kann.
[0033] Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen für das erste und zweite optische Element beschränkt. Beispielsweise kann das erste Linsenelement und/oder das zweite Linsenelement jedoch als Plankonvexlinse ausgebildet sein.
[0034] In einer Ausführungsform wird mit der Lichtquelle, beispielsweise einem Lichtleiter, mit einer ersten Plankonvexlinse, die als Kollektor fungiert, eine Leuchtfeldblende ausgeleuchtet. Mit einer zweiten Plankonvexlinse wird die Lichtquelle dann in die Aperturblende abgebildet.
[0035] Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erste und das zweite optische Element identisch gleich ausgebildet sind.
Es kann sich bei den optischen Elementen um Plankonvexlinsen handeln, mit denen die Lichtquelle beispielsweise mit dem Abbildungsmassstab 1:1 in die zweite Blende, beispielsweise die Aperturblende, abgebildet wird. Bei der hier vorgeschlagenen Lösung für die Beleuchtung ist eine exakte stigmatische, allein durch die Beugung begrenzte Abbildung der Leuchtfeldblende beziehungsweise des Zwischenbildes in die entsprechend dem Lösungsvorschlag jeweils genau zugeordneten realen beziehungsweise virtuellen konjugierten Bildebenen gegeben. Damit ist eine wesentliche Grundvoraussetzung für eine gute Homogenität des roten Reflexes beziehungsweise Kontrastierung der Linsenreste in der Linsenkapsel gegeben.
[0036] Vorteilhaft kann ein optisches Element der Beleuchtungseinrichtung als Kittglied aus wenigstens zwei Linsenelementen ausgebildet sein.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kittglied und das zweite optische Element zu einer gedachten ersten Teiloptik zusammengesetzt sind. Diese erste Teiloptik ist insbesondere zum Erzeugen eines afokalen Strahlengangs für die Leuchtfeldabbildung ausgebildet.
[0037] Dann ist die erste Blende, beispielsweise die Leuchtfeldblende, im vorderen Brennpunkt der ersten Teiloptik aus zweitem optischen Element oder optischen System, z.B. einer Plankonvexlinse und Kittglied angeordnet, sodass die Leuchtfeldblende von dieser zusammengesetzten Teiloptik nach unendlich abgebildet wird.
Somit besteht vor dem Objektivelement für die Leuchtfeldabbildung ein afokaler Strahlengang.
[0038] Wenn es sich bei dem Objektivelement auch um das Hauptobjektiv der Beobachtungseinrichtung handelt, besteht an der Schnittstelle der Beleuchtungseinkopplung vor dem Hauptobjektiv somit sowohl für die Leuchtfeldabbildung als auch für die Beobachtung ein afokaler Strahlengang. Dies ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass die erste Blende (beispielsweise Leuchtfeldblende) vom Hauptobjektiv exakt in die Objektebene der Beobachtung, beispielsweise einer stereoskopischen Beobachtung, abgebildet wird.
Wenn in der Beleuchtungseinrichtung ein wie weiter unten beschriebenes Umlenkelement vorgesehen ist, kann der afokale Strahlengang vorzugsweise an der Schnittstelle der Beleuchtungseinkopplung mit dem Umlenkelement vor dem Objektivelement bestehen.
[0039] In weiterer Ausgestaltung kann das Kittglied und das Objektivelement zu einer gedachten zweiten Teiloptik zusammengesetzt sein.
[0040] Mit der zweiten Teiloptik wird nun das Zwischenbild der Lichtquelle in ein virtuelles Bild vor dem zu untersuchenden Objekt abgebildet. Das Zwischenbild der Beleuchtungspupille kann sich dabei im vorderen Brennpunkt der zweiten Teiloptik befinden. Die Lage des virtuellen Bildes ist konjugiert zum Fundus des zu untersuchenden Auges, das im Allgemeinen mit einer Fehlsichtigkeit behaftet ist.
Für den Sonderfall des rechtsichtigen Auges, bei dem der Fundus exakt im Focus des Auges liegt, muss das virtuelle Bild der Beleuchtungspupille in den Fernpunkt des Auges abgebildet werden. Dies erreicht man dadurch, dass das Zwischenbild der Lichtquelle zusammen mit der eventuell vorhandenen Aperturblende in den vorderen Brennpunkt der aus Kittglied und Objektivelement (bei dem es sich beispielsweise um das Hauptobjektiv der Beobachtungseinrichtung handeln kann) zusammengesetzt gedachten zweiten Teiloptik gebracht wird.
In diesem Sonderfall übernimmt dann diese zweite Teiloptik die Funktion des Kondensors bei der klassischen Köhler'schen Beleuchtung in der Mikroskopie, bei der das Objekt mit einem afokalen und somit parallelen Strahlengang beleuchtet wird.
[0041] Vorteilhaft kann wenigstens ein Umlenkelement zum Umlenken wenigstens eines Teils des Beleuchtungsstrahlengangs vorgesehen sein. Damit wird es ermöglicht, den Beleuchtungsstrahlengang von der Seite einzustrahlen, was insbesondere in Bezug auf die Handhabung sowie die Konstruktion und Anordnung der Beleuchtungseinrichtung innerhalb einer Beobachtungseinrichtung von Vorteil sein kann.
Bei dem Umlenkelement kann es sich beispielsweise um einen Umlenkspiegel, um ein Umlenkprisma oder dergleichen handeln.
[0042] In einer Ausführungsform kann die Beleuchtungseinrichtung beispielsweise aus den optischen Komponenten Lichtquelle (Lichtleiter), erstes optisches Element (erste Plankonvexlinse), erste Blende (Leuchtfeldblende), zweites optisches Element (zweite Plankonvexlinse), zweite Blende (Aperturblende), Kittglied, Umlenkelement (Umlenkspiegel), Objektivelement (Hauptobjektiv) und zu beobachtendes Objekt (Auge) handeln.
[0043] Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Beobachtungseinrichtung, insbesondere ein Operationsmikroskop bereitgestellt, mit Mitteln zum Erzeugen wenigstens eines Beobachtungsstrahlengangs, aufweisend ein Hauptobjektiv und mit Mitteln zum Erzeugen wenigstens eines Beleuchtungsstrahlengangs.
Die Beobachtungseinrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des Beobachtungsstrahlengangs ausgebildet sind, um das Bild der Gerätepupillen der Beobachtungseinrichtung auf einen Fundus eines zu untersuchenden Objekts abzubilden, und dass die Mittel zum Erzeugen des wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengangs ausgebildet sind, um die Beleuchtungspupille auf den Fundus des zu untersuchenden Objekts abzubilden und dadurch das Bild der Gerätepupillen auf den Fundus des zu untersuchenden Objekts auszuleuchten.
[0044] Für das optimale Zusammenwirken von Beobachtung und Beleuchtung als Grundvoraussetzung für die Lösung der Problematik des roten Reflexes ist es erforderlich, sowohl die Gerätepupillen (stereoskopischen Beobachtungspupillen) als auch die Beleuchtungspupille (beispielsweise das Lichtleiterfaserende)
auf den Fundus des zu untersuchenden Auges abzubilden. Bei der "Gerätepupille" handelt es sich um den Schnittpunkt aller Mitten- oder Schwerestrahlen der Abbildungsstrahlenbündel.
[0045] Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahlengangs als eine wie vorstehend beschriebene, erfindungsgemässe Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sind.
[0046] Vorteilhaft können die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungsstrahlengangs dabei auf der dem zu untersuchenden Objekt abgewandten Seite des Hauptobjektivs angeordnet sein.
[0047] In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Beobachtungseinrichtung als Operationsmikroskop ausgebildet ist. Das optische System eines Operationsmikroskops besteht grundsätzlich aus mehreren Bauelementen, wie dem Tubus, dem Mikroskop-Grundkörper, usw.
Zusätzlich ist es bei vielen Operationsmikroskopen möglich, unterschiedliche Zusatzmodule, wie zum Beispiel einen Mitbeobachtertubus für einen assistierenden Beobachter, eine Videokamera zur Dokumentation oder dergleichen anzuschliessen.
[0048] Innerhalb des Mikroskop-Grundkörpers lassen sich wiederum mehrere Baugruppen zusammenfassen, wie beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung, eine Vergrösserungseinrichtung, das Hauptobjektiv oder dergleichen. Die charakteristische Grösse beim Hauptobjektiv ist seine Brennweite, die den Arbeitsabstand vom Operationsmikroskop zum Operationsfeld festlegt und auch Einfluss auf die Gesamtvergrösserung des Mikroskops hat.
[0049] Vorzugsweise kann in dem wenigstens einen Beobachtungsstrahlengang ein Vergrösserungssystem vorgesehen sein.
Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Vergrösserungswechsler handeln, mit dem sich unterschiedliche Vergrösserungen einstellen lassen. In vielen Anwendungsfällen ist ein Vergrösserungswechsel in Stufen völlig ausreichend. Es ist jedoch auch möglich, als Vergrösserungssystem auch pankratische Vergrösserungssysteme zu verwenden, mittels derer eine stufenlose Vergrösserung (Zoomsystem) möglich ist.
[0050] Dabei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die weiter oben bereits beschriebene Gerätepupille der Beobachtungseinrichtung in dem Vergrösserungssystem angesiedelt ist.
[0051] Weiterhin kann in dem wenigstens einen Beobachtungsstrahlengang ein Tubuselement und ein Okularelement vorgesehen sein.
Die Aufgabe eines Okularelements ist generell die Nachvergrösserung des im Tubus entstehenden Zwischenbilds, sowie möglicherweise der Ausgleich eventueller Fehlsichtigkeiten des Nutzers eines solchen Mikroskops.
[0052] Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die Objektebene des zu untersuchenden Objekts im vorderen Brennpunkt des Hauptobjektivs ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass das zu untersuchende Objekt durch das Hauptobjekt nach Unendlich abgebildet wird.
[0053] Vorteilhafterweise kann die Beobachtungseinrichtung als stereoskopische Beobachtungseinrichtung, insbesondere als Stereomikroskop, ausgebildet sein.
In diesem Fall verfügt die Beobachtungseinrichtung über zwei parallel verlaufende Beobachtungsstrahlengänge.
[0054] Bei der Beobachtungseinrichtung kann es sich gemäss einer bevorzugten Ausführungsform um ein Stereomikroskop nach dem Teleskopprinzip handeln, das im Wesentlichen aus den drei optischen Teilkomponenten, nämlich Hauptobjektiv (afokales) Zoomsystem sowie binokulares Fernrohr aus Tubus und Okularen, besteht.
[0055] Zwischen den einzelnen Teilkomponenten der Beobachtungseinrichtung verlaufen die Beobachtungsstrahlenbüschel vorzugsweise parallel, sodass die einzelnen Teilkomponenten modular austauschbar und kombinierbar sind.
[0056] In bevorzugter Weise kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemässe Beleuchtungseinrichtung in einem ophthalmologischen Beobachtungsgerät, insbesondere in einem für die Kataraktextraktion ausgebildeten Operationsmikroskop,
verwendet werden. Ebenso kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemässe Beobachtungseinrichtung als ophthalmologisches Beobachtungsgerät, insbesondere als für die Kataraktextraktion ausgebildetes Operationsmikroskop verwendet werden.
[0057] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Tabelle 1 optische Systemdaten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung;
<tb>Fig. 1<sep> in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung;
<tb>Fig. 2<sep>einen vergrösserten Teilausschnitt der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung;
<tb>Fig. 3<sep>in schematischer Darstellung den Beobachtungsstrahlengang innerhalb einer Beobachtungseinrichtung, in der die erfindungsgemässe Beleuchtungseinrichtung integriert werden kann;
<tb>Fig. 4<sep>eine vergrösserte Darstellung eines Modellauges;
<tb>Fig. 5<sep>beispielhaft Strahlquerschnittsflächen auf der Hornhaut des Modellauges gemäss den Fig. 4;
<tb>Fig. 6<sep>Strahlbüschelquerschnittsflächen für Stereo-Beobachtungsstrahlengänge gemeinsam auf der Netzhaut eines Modellauges mit einer Fehlsichtigkeit;
<tb>Fig. 7<sep>Strahlbüschelquerschnittsflächen für Stereo-Beobachtungsstrahlengänge auf der Netzhaut eines Modellauges, wobei jedoch die Querschnittsflächen aller Strahlbüschel über das gesamt Bildfeld zur Deckung kommen; und
<tb>Fig. 8 bis 12<sep>verschiedene photographische Darstellungen, die den Einfluss der Beleuchtungsparameter auf den "roten Reflex" und die Kontrastierung verdeutlichen.
[0058] In den Fig. 1 und 2 ist eine Beleuchtungseinrichtung 40 dargestellt, die Bestandteil einer Beobachtungseinrichtung 10 ist. Bei der Beobachtungseinrichtung 10 soll es sich um ein ophthalmologisches Stereo-Operationsmikroskop handeln, das für eine spezielle Anwendung in der Augenchirurgie, nämlich der Kataraktchirurgie, eingesetzt wird. Die Beleuchtungseinrichtung 40, die im weiteren Verlauf noch näher erläutert wird, weist eine Lichtquelle 41 auf, die im vorliegenden Beispiel als Lichtleiter ausgebildet ist. Weiterhin ist ein Objektivelement 11 vorgesehen, bei dem es sich im vorliegenden Fall auch um das Hauptobjektiv der Beobachtungseinrichtung 10 handelt.
Zwischen dem Lichtleiter 41 und dem Hauptobjektiv 11 sind eine Reihe optischer Elemente vorgesehen. Die Objektebene 12 des zu untersuchenden Objekts 30 ist im vorderen Brennpunkt des Hauptobjektivs 11 ausgebildet. Bei dem zu untersuchenden Objekt 30 handelt es sich um ein Auge.
[0059] Zu Simulationszwecken ist das Auge 30 als sogenanntes "Modellauge" ausgebildet. Die seit Jahren geübte Praxis hat gezeigt, dass für die experimentellen Untersuchungen zur Darstellung der Problematik des roten Reflexes ein aphakes (Fehlen der Augenlinse) Modellauge die Wirklichkeit hinreichend gut beschreibt.
Realitätsnah wie bei einem aphaken menschlichen Auge ist die Augenlinse entfernt, so das die optische Wirkung allein durch die Krümmung der Hornhaut 31 (Fig. 4) bewirkt wird.
[0060] Für das optimale Zusammenwirken von Beobachtung und Beleuchtung als Grundvoraussetzung für die Lösung der Problematik des roten Reflexes ist es erforderlich, dass die Beobachtungspupillen (Gerätepupillen) als auch die Beleuchtungspupille 43 (das Lichtleiterfaserende 42 gemäss Fig. 2) auf den Fundus 32 des Auges 30, hier die Netzhaut, abgebildet werden.
[0061] Das virtuelle Bild der Gerätepupillen 15 liegt bei der vorgegebenen Beobachtungsoptik des Operationsmikroskops fest, und zwar etwa 300 mm vor dem Modellauge 30.
Das ideale Abbild der Gerätepupillen 15 liegt dann in etwa in der Fokusebene des Modellauges 30.
[0062] Demgegenüber kann durch geeignete Auslegung der Beleuchtungseinrichtung 40 gemäss den Fig. 1 und 2 das Abbild der Beleuchtungspupille 43, also das Bild des Lichtleiters 41, genau in die Fokusebene des Modellauges 30 gelegt werden.
Das virtuelle Bild der Beleuchtungspupille 43 liegt dann für diesen Sonderfall bezogen auf das Modellauge 30 genau im Fernpunkt, also im Unendlichen.
[0063] Wie in Fig. 3 dargestellt ist, entspricht die optische Beobachtungseinrichtung 10 einem Stereomikroskop nach dem Teleskopprinzip und besteht im Wesentlichen aus den drei optischen Teilkomponenten Hauptobjektiv 11, Vergrösserungssystem 16 sowie binokulares Fernrohr aus Tubus und Okularen.
[0064] Die Objektebene 12 befindet sich im vorderen Brennpunkt des Hauptobjektivs 11, sodass das Objekt 30 durch das Hauptobjektiv 11 nach Unendlich abgebildet wird. In Figur 3 ist nur einer der beiden stereoskopischen Beobachtungsstrahlengänge 13 eingezeichnet.
Die Dezentrierung der Achse des Vergrösserungssystems 16 gegenüber der optischen Achse 14 des Hauptobjektivs 11 beträgt 11 mm, die gesamte Stereobasis zwischen den beiden stereoskopischen Beobachtungsstrahlengängen ist also 22 mm.
[0065] Die Gerätepupille 15, das heisst der Schnittpunkt aller Mitten- oder Schwerestrahlen der Abbildungsstrahlenbündel befindet sich im Vergrösserungssystem 16.
[0066] Das optische System des Operationsmikroskops 10 sei auf die Augenpupille fokussiert. Das bedeutet, dass sich die Objektebene 12 in der Augenpupille des Modellauges 30 befindet.
[0067] In Fig. 4 ist der Verlauf der Strahlenbüschel 17 im Modellauge 30 für den Beobachtungsstrahlengang 13 entsprechend der Fig. 3 stark vergrössert dargestellt.
Dabei ist die optische Achse 14 des Modellauges 30 identisch mit der optischen Achse des Hauptobjektivs 11, sodass durch die stereoskopische Dezentrierung der Beobachtung das Phasenobjekt unter einem bestimmten Stereowinkel betrachtet wird und der Strahlenverlauf im rechten und linken Beobachtungskanal bis auf den gemeinsamen Fokus in den Objektpunkten der Phasenebene entsprechend unterschiedlich ist.
[0068] Der bestimmende Einfluss des Beobachtungsstrahlengangs 13 lässt sich besonders klar mit Hilfe der Strahlquerschnittsflächen deuten, also gleichsam den "Spuren", die die Strahlenbüschel 17, 18 auf die Netzhaut 32 einprägen.
[0069] Fig.
5 zeigt beispielhaft Strahlquerschnittsflächen auf der Hornhaut 31 für das Mittenbüschel 18 und insgesamt acht gleichmässig über den Bildfeldrand verteilten und somit das gesamte Bildfeld begrenzende Strahlenbüschel 17, und zwar für den linken (Fig. 5a) beziehungsweise rechten (Fig. 5b) Beobachtungskanal.
[0070] Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, konvergieren diese Querschnittsflächen zur Bildmitte hin, wobei gleichzeitig die Flächeninhalte grösser werden.
[0071] Die Büschelquerschnittsflächen auf der Netzhaut 32 unterscheiden sich nun in Abhängigkeit von der Fehlsichtigkeit des Patientenauges sehr deutlich in der Grösse und der relativen Lage zueinander.
Fig. 6 zeigt diese Büschelquerschnittsflächen für beide Stereostrahlengänge gemeinsam auf einer gedachten Netzhautebene eines fehlsichtigen Auges, die ca. 5 mm vor der Fokusebene des Modellauges liegt.
[0072] Wie weiter oben schon erwähnt wurde, kommt dem Sonderfall, bei dem die Netzhaut 32 in der Fokusebene des Modellauges 30 liegt, eine besondere Bedeutung zu. Bei diesem Sonderfall haben die Querschnittsflächen der Strahlbüschel 17 einen Durchmesser von ca. 1,2 mm.
Entscheidend für die Homogenität des roten Reflexes ist es, dass bei diesem Sonderfall die Querschnittsflächen aller Strahlbüschel über das gesamte Bildfeld zur Deckung kommen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.
[0073] In diesem Fall schneiden sich wie bei der Gerätepupille 15 (Fig. 3) alle Mitten- oder Schwerestrahlen der Strahlenbüschel 17, sodass das Bild der Gerätepupille 15 dann auf der Netzhaut 32 liegt.
[0074] Das Zusammenwirken von Beleuchtungstrahlengang 56 (Fig. 1) und Beobachtungsstrahlengang 13 (Fig. 3) lässt sich nun einfach anhand eines einzelnen Objektpunkts deuten.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, gibt es nämlich für jeden Objektpunkt einen Strahlenkegel 19, dessen Basis 20 die Strahlbüschelquerschnittsfläche auf der Netzhaut 32 und dessen Spitze 21 im jeweiligen Objektpunkt in der betrachteten Objektebene 12 mit dem Phasenobjekt liegt.
[0075] Zur Erzeugung des roten Reflexes trägt primär nur ein Teil des Beleuchtungslichts bei, und zwar jener, der auf die entsprechenden Strahlbüschelquerschnittsflächen auf der Netzhaut 32 trifft und dort in den Halbraum zurückgestreut wird, wobei wiederum nur der Anteil des exakt in die entsprechenden Strahlenkegel 19 zurückgestreuten Lichts vom Beobachter als roter Reflex wahrgenommen werden kann. Bei gleicher Bestrahlungsstärke durch die Beleuchtung ist die Intensität des roten Reflexes in den entsprechenden Bildzonen direkt proportional dem Ausleuchtungsgrad der Querschnittsfläche.
Insbesondere erhält man dann für den Fall, dass das ausgeleuchtete Bild der Gerätepupille 15 auf der Netzhaut 32 liegt, für alle Bildpunkte einen gleich intensiven, homogen roten Reflex. Diese Homogenität des roten Reflexes ändert sich auch nicht bei partieller Ausleuchtung des Bilds der Gerätepupille 15, beispielsweise bei einer Schrägbeleuchtung, wobei aber die Intensität je nach Ausleuchtungsgrad zu- oder abnimmt.
[0076] Die Ausleuchtung des Bildes der Gerätepupille 15 auf der Netzhaut 32 erfolgt nun mit einer Beleuchtungseinrichtung 40, die in den Fig.
1 und 2 dargestellt ist und die in einer beispielhaften Ausführungsform aus den folgenden optischen Komponenten besteht, nämlich einem Lichtleiter 41, einem ersten als Plankonvexlinse ausgebildeten optischen Element 46, einer ersten als Leuchtfeldblende ausgebildeten Blende 44, einem zweiten als Plankonvexlinse ausgebildeten optischen Element 47, einer zweiten als Aperturblende ausgebildeten Blende 45, einem Kittglied 48 bestehend aus zwei Linsenelementen 49, 50, einem Umlenkelement 51 in Form eines Umlenkspiegels, dem Hauptobjektiv 11 sowie dem Modellauge 30.
[0077] Eine vergrösserte Darstellung der Komponenten gemäss Fig. 1 bis zum Hauptobjektiv 11, das von der Beobachtung und Beleuchtung gemeinsam benutzt wird, ist in Fig.
2 dargestellt.
[0078] Mit dem Lichtleiter 41, der den Beleuchtungsstrahlengang 56 erzeugt, wird mit einer ersten Plankonvexlinse 46 als Kollektor eine Leuchtfeldblende 44 ausgeleuchtet. Mit einer zweiten Plankonvexlinse 47 wird der Lichtleiter 41 dann in ein Zwischenbild mit Aperturblende 45 abgebildet. Beispielsweise können die beiden Plankonvexlinsen 46, 47 identisch gleich sein, und den Lichtleiter 41 mit dem Abbildungsmassstab 1:1 in die Aperturblende 45 abbilden.
[0079] Die Leuchtfeldblende 44 sitzt vorzugsweise im vorderen Brennpunkt F1 einer aus der zweiten Plankonvexlinse 47 und dem Kittglied 48 zusammengesetzt gedachten ersten Teiloptik 52 - was durch eine gestrichelte Linie verdeutlicht ist -, sodass also die Leuchtfeldblende 44 von dieser zusammengesetzten Teiloptik 52 nach unendlich abgebildet wird.
Somit besteht an der Schnittstelle der Beleuchtungseinkopplung mit dem Umlenkspiegel 51 vor dem Hauptobjektiv 11 für die Leuchtfeldabbildung ebenso wie bei der Beobachtung ein afokaler Strahlengang 54. Dies ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass die Leuchtfeldblende 44 vom Hauptobjektiv 11 in die Objektebene 12 der stereoskopischen Beobachtung, nämlich die Phasenfläche, abgebildet wird. Eine Leuchtfeldblende 44 mit einem Durchmesser von etwa 2,2 mm wird dann beispielsweise auf cirka 7 mm vergrössert in die Phasenobjektebene abgebildet.
[0080] Um das Bild des Faserendes 42 vom Lichtleiter 41, also die Beleuchtungspupille 43, auf den Fundus 32 des Modellauges 30 abzubilden, muss das virtuelle Bild der Beleuchtungspupille 43 in den zum Fundus konjugierten Bildort des Modellauges 30 abgebildet werden.
Wie besonders leicht einzusehen ist, erreicht man dies für den Sonderfall des rechtsichtigen Auges einfach dadurch, dass das Zwischenbild 45 des Lichtleiters in den vorderen Brennpunkt F2 einer aus Kittglied 48 und Hauptobjektiv 11 zusammengesetzt gedachten zweiten Teiloptik 53 - was ebenfalls durch eine gestrichelte Linie verdeutlicht ist - gebracht wird. Im allgemeinen Fall eines fehlsichtigen Auges liegt dieses Zwischenbild vom vorderen Brennpunkt F2 genau so weit ab, dass dieses Zwischenbild dann durch die zweite Teiloptik auf die zur Netzhaut konjugierte virtuelle Bildebene abgebildet wird.
[0081] Für den Sonderfall des rechtsichtigen Auges wiederum übernimmt die zweite Teiloptik dann die Funktion des Kondensors bei der klassischen Köhler'schen Beleuchtung in der Mikroskopie.
Für die Abbildung der Beleuchtungspupille 43 besteht dann also vor dem Auge 30 ein afokaler Strahlengang 55. In diesem Fall wird das Faserende 42 des Lichtleiters 41 (Beleuchtungspupille 43) beispielsweise stark verkleinert auf die Netzhaut 35 des rechtsichtigen Auges abgebildet.
[0082] Die optischen Systemdaten einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung 40 sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
[0083] Mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung 40 wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die im Hinblick auf die notwendige anwendungsorientierte Ausrichtung solcher experimentellen Untersuchungen massgeblichen Versuche werden weiter unten näher beschrieben.
Zuvor wird jedoch zur Verdeutlichung der Zielrichtung für eine anwendungsbezogene Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse noch einmal ein kurzer Überblick über die bisherigen Untersuchungen gegeben.
[0084] Die im Rahmen der allgemeinen Beschreibung ausführlich erörterte Problemstellung resultiert insbesondere aus der speziellen Anwendung eines Operationsmikroskops in der Kataraktchirurgie und besteht im Wesentlichen in der Erzeugung eines homogenen roten Reflexes über die gesamte Augenpupille bei gleichzeitig guter Kontrastierung der Linsenreste und Phasenstrukturen in der Linsenkapsel.
Daraus resultiert das Bedürfnis für die Schaffung einer an die stereoskopische Beobachtung angepassten Beleuchtungseinrichtung 40, die dieser Anforderung gerecht wird.
[0085] Ein wichtiger Vorteil für die anwendungstechnische Weiterentwicklung der erfindungsgemässen Lösung liegt vor allem darin, dass diese Lösung nicht nur eine durchsichtige und eindeutig definierbare mathematisch optische Modellierung des roten Reflexes und der Kontrastierung ermöglicht, sondern gleichbedeutend eine leicht einsichtige und eindeutige experimentelle Darstellung des die Problematik charakterisierenden Sachverhalts ermöglicht.
[0086] Der bis heute erreichte Entwicklungsstand basiert auf folgender mathematisch -optischen Modellierung des roten Reflexes und der Kontrastierung,
die durch praxisnahe Experimente Bestätigung findet.
[0087] Der rote Reflex entsteht durch die Ausleuchtung der jedem Objektpunkt der Phasenfläche in der Augenpupille eindeutig zugeordneten Strahlbüschelquerschnittsflächen auf der Netzhaut. Im Idealfall der Abbildung der Gerätepupille auf die Netzhaut kommen diese Strahlbüschelquerschnittsflächen für alle Objektpunkte zur Deckung. Für den Fall, dass auch die Beleuchtungspupille auf die Netzhaut und somit der Beleuchtungsspot minimiert wird, ist auch mit einem geringen Ausleuchtungsgrad der stereoskopischen Beobachtungspupillen eine homogene Ausleuchtung der Augenpupille und damit ein homogener roter Reflex möglich.
Dies ist beispielsweise in Fig. 9 dargestellt.
[0088] Die Grösse sowohl der Strahlbüschelquerschnittsflächen als auch des Beleuchtungsspots hängt nun stark von der Fehlsichtigkeit des Auges ab, bei der ja die Länge des Glaskörpers und somit der Abstand der Netzhaut von der Phasenfläche in der Augenpupille mehr oder weniger stark variiert. Im Allgemeinen überdeckt also der Beleuchtungsspot nur einen Teil der Strahlbüschelquerschnittsflächen und dies dann auch im Allgemeinen mit unterschiedlichem Ausleuchtungsgrad. Daraus leitet sich dann eine mehr oder weniger ausgeprägte Inhomogenität des roten Reflexes ab. Eine anschauliche Erklärung dafür liefert Fig. 6.
Ein seitlicher Versatz des Beleuchtungsspiegels und in Folge dessen des Beleuchtungsspots führt zu einer zusätzlichen Assymmetrie des Inhomogenen roten Reflexes, was wiederum auch anhand der Figur 6 gedeutet werden kann, was ebenfalls in Fig. 8 dargestellt ist.
[0089] Die Kontrastierung, also die Sichtbarmachung der Linsenreste oder Phasenobjekte in der Linsenkapsel erfolgt primär durch Beleuchtungsstrahlenbüschel, deren numerische Apertur, also der Einfallswinkel der Lichtstrahlen am Ort des Phasenobjekts, grösser ist als die numerische Apertur der Beobachtungsstrahlenbüschel.
In diesem Fall liegt dann die physikalisch-optische Voraussetzung für eine Dunkelfeldbeleuchtung des Phasenobjekts vor, die sich beispielsweise dadurch zeigt, dass die Beleuchtungspupille auf der Netzhaut räumlich streng getrennt ist von den beiden stereoskopischen Beobachterpupillen (Fig. 10, rechtes Bild). Diese strenge Trennung bedeutet nach den bisher aufgezeigten Fakten zwar eine gute Kontrastierung, aber keinen roten Reflex, was sich beispielsweise aus Fig. 10, linkes Bild ergibt.
[0090] Daraus leitet sich aber ein ganz entscheidender Gesichtspunkt ab: Der rote Reflex ist primär nicht die Ursache für die Kontrastierung der Linsenreste und Phasenstrukturen in der Augenpupille. Bei der Kontrastierung dient der rote Reflex sekundär als Hintergrundbeleuchtung der ursprünglich mit einer Dunkelfeldbeleuchtung kontrastierten Linsenreste und Phasenobjekte.
Für diese Hintergrundbeleuchtung reicht gemäss Fig. 9 offenbar ein sehr kleiner Anteil des Beleuchtungslichts. Ein Grossteil des Beleuchtungslichts liegt daher im Bereich der Dunkelfeldbeleuchtung, wie in Fig. 9, rechtes Bild dargestellt ist.
[0091] Entscheidend für eine optimale praktische Umsetzung der erfindungsgemässen Beleuchtungseinrichtung ist diese Erkenntnis der strengen Trennung der Beleuchtung für den roten Reflex von der Beleuchtung für die Kontrastierung, und vor allem dann auch deren additive Überlagerung gemäss Fig. 9.
[0092] Einen weiteren Nachweis liefern die Fig. 11 und 12. Dort wird die Beleuchtungspupille direkt mit einer der beiden Beobachtungspupillen zur Deckung gebracht.
Nach den bisherigen Erkenntnissen erwartet man dann in der beleuchteten Beobachtungspupille einen extrem intensiven, homogenen roten Reflex ohne Kontrastierung, wie in Fig. 11 dargestellt. Für den zweiten Beobachtungskanal wirkt diese Beleuchtung wieder als reine Dunkelfeldbeleuchtung mit der Konsequenz einer guten Kontrastierung ohne roten Reflex, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist.
Bezugszeichenliste
[0093]
10 : Beobachtungseinrichtung (Operationsmikroskop)
11 : Objektivelement (Hauptobjektiv)
12 : Objektebene
13 : Beobachtungsstrahlengang
14 : optische Achse
15 : Gerätepupille
16 : Vergrösserungssystem
17 : Strahlbüschel
18 : Mittenbüschel
19 : Strahlkegel
20 : Basis Strahlkegel
21 : Spitze Strahlkegel
30 : zu untersuchendes Objekt (Auge/Modellauge)
31 : Hornhaut
32 : Fundus
40 : Beleuchtungseinrichtung
41 : Lichtquelle (Lichtleiter)
42 : Lichtleiterende
43 :
Beleuchtungspupille
44 : erste Blende (Leuchtfeldblende)
45 : zweite Blende (Aperturblende)
46 : erstes optisches Element
47 : zweites optisches Element
48 : Kittglied
49 : Linsenelement
50 : Linsenelement
51 : Umlenkelement (Umlenkspiegel)
52 : erste Teiloptik
53 : zweite Teiloptik
54 : afokaler Strahlengang
55 : afokaler Strahlengang
56 : Beleuchtungsstrahlengang
F1 : vorderer Brennpunkt der ersten Teiloptik
F2 : vorderer Brennpunkt der zweiten Teiloptik
The present invention initially relates to a lighting device for an observation device according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an observation device according to the preamble of claim 15th
An observation device may be, for example, a surgical microscope. In particular, the observation device can be designed as an ophthalmic surgical microscope, which is used for example for a specific application in ophthalmic surgery, namely cataract surgery.
In cataract surgery, a - for example, clouded by the cataract - eye lens is replaced by an artificial lens.
The eye lens of an eye is located in a thin envelope, the so-called lens capsule.
To remove the eye lens access to the eye lens is created by a thin cut in the lens capsule and the eye lens with a microsurgical device first divided into small individual pieces, which are then removed by means of a suction device.
This process takes place under microscopic observation - for example, under stereomicroscopic observation - using a specially designed for such procedures lighting device. This illumination device represents both an ambient illumination necessary for the illumination of the entire surgical field and a red background illumination which is crucial for the cataract surgery for the actual surgical field limited to the pupil region of the eye lens.
This red background illumination is due to the proportion of the illumination light which finally strikes the retina which appears red due to good blood flow via the transparent eye media and then of course can be observed by the surgeon as a red backlight via the surgical microscope. This red background lighting, which is quite characteristic of cataract surgery, is generally known to experts as the term "red reflex".
For optimal detection of the details relevant to the cataract surgery proves the operator as homogeneous red backlight as a necessary condition.
A first requirement for the illumination device is thus to ensure the best possible homogeneity of the red reflex over the entire patient's pupil.
For complete elimination of the lens residues of crushed into tiny pieces eye lens and good recognition of transparent membranes, such as the lens capsule, another requirement must be met, namely a good contrasting of phase objects, and possibly also over the entire patient's pupil.
In the past, various solutions have already become known in connection with the generation of such a red backlight.
In US-A-4 779 968 a coaxial illumination for a surgical microscope is described.
According to this solution, a lighting module is provided, which can be retrofitted as an additional module to existing surgical microscopes. This additional module is preferably mounted on the object side below the main objective of the observation device. The illumination coupling on the microscope axis takes place either with a divider plate or a divider cube.
DE 4 028 605 C2 describes a lighting device for a surgical microscope, which permits a combination of zero-degree, coaxial and oblique illumination. For this purpose, the illumination device has displaceable partial mirrors and a fixed six-degree mirror together with the respective variable diaphragms, with which the illumination angle and the light components of the respective illumination direction can be varied.
The focus of this known solution lies in the contrast increase by means of a coaxial illumination, wherein it is the coaxial illumination to an axis near oblique illumination.
In DE 19 638 263 A1, an ophthalmological observation device is disclosed, in which the unavoidable corneal reflex is to be suppressed when lighting a patient's eye to observe the anterior eye sections. This is done by attaching a light absorber in the form of a black dot near a field stop of otherwise known lighting.
In US-A-6 011 647 a switchable lighting system for an ophthalmic surgical microscope is described in which can be switched between an ambient lighting and an optimized "red reflex" illumination during the operation.
The lighting device consists of light source, collector, field diaphragm, deflection mirror, field lens and main objective. In this optimized "red reflex" lighting, the field diaphragm is not depicted in the eye pupil as an object plane, as in the case of ambient lighting.
Finally, EP 1 109 046 A1 discloses a lighting device for a surgical microscope, which has two reflection elements which can be displaced independently of each other,
by means of which both the angles of the incident light with the optical axis of the microscope objective and the intensity of the various light beams can be changed independently.
In the chronological sequence of the solution proposals known from the prior art, a "red reflex" lighting was initially favored at exactly zero degrees. The advantage of such a zero-degree illumination or a true coaxial illumination is the generation of a good homogeneity of the red reflex.
However, the second basic requirement described above of good contrasting of the lens residues in the lens capsule and the representation of the capsule membrane is not adequately fulfilled by the known lighting systems with zero-degree illumination.
A next development step then led to near-axis illumination (also called coaxial illumination) to achieve an improvement in contrasting. Due to the more or less large angle between the observation axis and the illumination axis, however, one obtains a more or less strong shading of the red reflex, ie the disadvantage of an inhomogeneity of the red reflex. Finally, the coaxial illumination represents a compromise solution between oblique illumination and zero-degree illumination.
The advantage of improved contrasting thus leads to a deterioration of the homogeneity.
The solution proposals known from the prior art all have the disadvantage that the requirements for homogeneity and contrasting as a result of the contradictions occurring inevitably can not be met simultaneously.
Based on the cited prior art, the present invention has the object, a lighting device and an observation device of the type mentioned in such a way that the disadvantages described can be avoided.
In particular, a lighting device and an observation device are to be provided with which an optimal problem-solving of the practical requirements with respect to homogeneity of the red reflex can be achieved with sufficiently good contrasting of the lens residues or membranes in the lens capsule.
This object is achieved according to the invention by the illumination device with the features according to independent claim 1, the observation device with the features according to independent claim 15 and the particular uses according to the independent claims 24 and 25. Further advantages, features, details, aspects and effects of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
Features and details which are described in connection with the illumination device according to the invention, of course, also apply in connection with the observation device according to the invention, and vice versa. The same applies to the special uses.
The essence of the inventive solution is therefore initially in a new design of the lighting device.
The present invention is based on the finding that the solution of the task according to the invention by the well-defined interaction of the observation beam path with an at least partially redesigned illumination beam path, with very specific optical imaging properties of the intertwined beam path of light field image and pupil image, in this case the Illustration of the light source.
A basic prerequisite for this interaction is that with respect to the optical imaging properties of the illumination beam path substantially higher demands on the Korrektionsbedingungen for the occurring optical aberrations (aberrations) must be made,
as is common practice in conventional lighting equipment.
As will be clarified below with respect to the illumination device, this basic requirement can be achieved with a minimum amount of optical components.
According to the first aspect of the invention, a lighting device for an observation device, in particular for a surgical microscope, provided with a light source and with optical elements which are provided between the light source and a lens element.
The illumination device according to the invention is characterized in that the optical elements are designed and arranged such that the image of the illumination pupil is made on the fundus of the object to be observed.
It arises for the image of the illumination pupil in front of the object to be observed, ie the patient's eye, a virtual image. The position of this virtual image corresponds to the conjugated image location of the fundus, thus varying with the refractive error of the eye. In particular, this virtual image is then at a right-eye in the far point of the eye.
According to the invention, the illumination device is provided for an observation device, but the invention is not limited to specific types of observation devices.
For example, but not exclusively, the observer may be a surgical microscope. Some non-exclusive examples of possible applications in the field of surgical microscopes are described in more detail in connection with the observation device according to the invention.
The lighting device initially has a light source, but the invention is not limited to certain types of light sources. For example, it may be provided that the light source is formed from at least one lamp or at least one light guide or at least one light emitting diode (LED). Of course, other embodiments or combinations of different embodiments for the light source are conceivable.
In the further course of the light source is variously described in the form of a light guide, without the invention being limited to this specific example.
In addition, the illumination device has a lens element. This is advantageously a lens element, which is likewise designed as a lens element of the observation device, in particular as its main objective. However, this is not mandatory.
Furthermore, various optical elements are provided in the illumination device, which are arranged between the light source and the lens element.
In this case, the optical elements according to the invention are designed and arranged such that for the image of the illumination pupil in front of the object to be observed, a virtual image is formed.
The "illumination pupil" is the cause of the image of the light source, e.g. the fiber end of the light guide, or even to the image of an intermediate image of the light source, said intermediate image can also be limited by an aperture diaphragm for controlling the amount of light falling out.
The inventive lighting device is used in particular for generating the "red reflex". For the generation of the red reflex contributes primarily only a part of the illumination light, namely the one which meets corresponding Strahlenbüschelquerschnittsflächen on the retina of the eye to be examined and is scattered back from there into the half space, again only the proportion of exactly in the corresponding observation beam cone backscattered light can be perceived by the observer as a red reflex.
With the same irradiance through the illumination, the intensity of the red reflex in the corresponding image zones is directly proportional to the degree of illumination of the cross-sectional areas of the beam on the retina.
The inventive design of the illumination device is achieved that the image of the illumination pupil takes place on the fundus of the eye. In particular, in the event that the illuminated image of the device pupil also lies on the retina, then an equally intense, homogeneous red reflex is obtained for all pixels.
This homogeneity of the red reflex does not change even with partial illumination of the image of the device pupil, for example in an oblique illumination or the like, but the intensity increases or decreases depending on the degree of illumination.
Advantageously, it can be provided that the illumination device has a first optical element and a first aperture, wherein it may be the aperture, for example, a field diaphragm. This first diaphragm is then illuminated with the first optical element.
Furthermore, a second optical element and a second diaphragm may be provided, wherein it may be, for example, an aperture stop at the second aperture.
By means of the first and second optical elements, the light source is then imaged in an intermediate image, which may be delimited by an aperture stop.
The invention is not limited to specific embodiments for the first and second optical element. For example, however, the first lens element and / or the second lens element may be formed as a plano-convex lens.
In one embodiment, a field diaphragm is illuminated with the light source, for example a light guide, with a first plano-convex lens, which acts as a collector. With a second plano-convex lens, the light source is then imaged into the aperture diaphragm.
For example, it can be provided that the first and the second optical element are identically identical.
The optical elements may be plano-convex lenses with which the light source is imaged, for example, with the imaging scale 1: 1 in the second diaphragm, for example the aperture diaphragm. In the lighting solution proposed here, an exact stigmatic, limited only by the diffraction image of the field diaphragm or the intermediate image is given in accordance with the proposed solution respectively exactly associated real or virtual conjugate image planes. This is an essential prerequisite for a good homogeneity of the red reflex or contrasting of the lens residues in the lens capsule.
Advantageously, an optical element of the illumination device may be formed as a cemented member of at least two lens elements.
It can be provided that the cemented member and the second optical element are assembled to an imaginary first partial optics. This first partial optics is designed in particular for generating an afocal beam path for the light field image.
Then, the first stop, for example the field stop, in the front focal point of the first part optical system of the second optical element or optical system, e.g. a plano-convex lens and cemented member arranged so that the field stop is imaged by this composite sub-optics to infinity.
Thus, there is an afocal beam path in front of the objective element for the luminous field imaging.
If the objective element is also the main objective of the observation device, then there is an afocal beam path at the interface of the illumination input in front of the main objective, both for the illumination field imaging and for the observation. This is a necessary prerequisite for the first diaphragm (for example field diaphragm) being imaged by the main objective exactly in the object plane of the observation, for example a stereoscopic observation.
If a deflecting element as described below is provided in the lighting device, the afocal beam path can preferably exist at the interface of the lighting coupling with the deflecting element in front of the objective element.
In a further embodiment, the cemented element and the lens element can be assembled to form an imaginary second partial optics.
With the second partial optics, the intermediate image of the light source is then imaged in a virtual image in front of the object to be examined. The intermediate image of the illumination pupil can be located in the front focal point of the second partial optics. The position of the virtual image is conjugated to the fundus of the eye to be examined, which generally has a defective vision.
For the special case of the right-eye, in which the fundus is exactly in the focus of the eye, the virtual image of the illumination pupil must be imaged in the far point of the eye. This is achieved by bringing the intermediate image of the light source, together with the possibly present aperture diaphragm, into the front focal point of the second partial optics composed of the cemented element and objective element (which may, for example, be the main objective of the observation device).
In this special case, then this second partial optics takes over the function of the condenser in the classic Köhler illumination in microscopy, in which the object is illuminated with an afocal and thus parallel beam path.
Advantageously, at least one deflecting element can be provided for deflecting at least part of the illumination beam path. This makes it possible to irradiate the illumination beam path from the side, which may be particularly advantageous in terms of handling and the construction and arrangement of the illumination device within an observation device.
The deflection element can be, for example, a deflection mirror, a deflection prism or the like.
In one embodiment, the illumination device, for example, from the optical components light source (light guide), first optical element (first plano-convex lens), first diaphragm (field stop), second optical element (second plano-convex lens), second diaphragm (aperture stop), cemented element, deflecting element (Deflecting mirror), lens element (main objective) and object to be observed (eye) act.
According to a second aspect of the invention, an observation device, in particular a surgical microscope, is provided with means for generating at least one observation beam path, comprising a main objective and with means for generating at least one illumination beam path.
According to the invention, the observation device is characterized in that the means for generating the observation beam path are designed to image the image of the device pupils of the observation device onto a fundus of an object to be examined, and in that the means for generating the at least one illumination beam path are formed around the illumination pupil to image the fundus of the object to be examined and thereby illuminate the image of the device pupil on the fundus of the object to be examined.
For the optimal interaction of observation and illumination as a basic prerequisite for the solution of the problem of the red reflex, it is necessary, both the device pupil (stereoscopic observation pupils) and the illumination pupil (for example, the optical fiber end)
on the fundus of the eye to be examined. The "device pupil" is the intersection of all center or gravity rays of the imaging beams.
Advantageously, it can be provided that the means for generating the illumination beam path are formed as a lighting device according to the invention as described above.
Advantageously, the means for generating the illumination beam path can be arranged on the side of the main objective facing away from the object to be examined.
In one embodiment, it is provided that the observation device is designed as a surgical microscope. The optical system of a surgical microscope basically consists of several components, such as the tube, the microscope body, etc.
Additionally, in many surgical microscopes, it is possible to connect different add-on modules, such as an assistive observer's co-observer tube, a video camera for documentation, or the like.
Within the microscope base body, in turn, several modules can be summarized, such as a lighting device, an enlargement device, the main objective or the like. The characteristic size of the main objective is its focal length, which defines the working distance from the surgical microscope to the surgical field and also has an influence on the overall magnification of the microscope.
Preferably, an enlargement system can be provided in the at least one observation beam path.
This may be, for example, a magnification changer with which different magnifications can be set. In many applications, a magnification change in stages is completely sufficient. However, it is also possible to use magnification systems as pancratic magnification systems, by means of which a stepless magnification (zoom system) is possible.
It can be advantageously provided that the device pupil of the observation device already described above is located in the magnification system.
Furthermore, a tube element and an eyepiece element can be provided in the at least one observation beam path.
The task of an eyepiece element is generally the re-enlargement of the intermediate image formed in the tube, and possibly the compensation of any defective vision of the user of such a microscope.
Advantageously, it is further provided that the object plane of the object to be examined is formed in the front focal point of the main objective. This ensures that the object to be examined is imaged by the main object to infinity.
Advantageously, the observation device can be designed as a stereoscopic observation device, in particular as a stereomicroscope.
In this case, the observation device has two parallel observation beam paths.
According to a preferred embodiment, the observation device may be a telescope-based stereomicroscope which consists essentially of the three optical sub-components, namely the main objective (afocal) zoom system and the binocular telescope comprising the tube and eyepieces.
Between the individual subcomponents of the observation device, the observation beam tufts preferably run parallel, so that the individual subcomponents are modularly interchangeable and combinable.
In a preferred manner, an illumination device according to the invention as described above can be used in an ophthalmological observation device, in particular in a surgical microscope designed for cataract extraction,
be used. Likewise, an observation device according to the invention as described above can be used as an ophthalmological observation device, in particular as a surgical microscope designed for cataract extraction.
The invention will now be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
<tb> Table 1 optical system data of a first embodiment of the illumination device according to the invention;
<Tb> FIG. 1 <sep> in a schematic representation of an embodiment of the illumination device according to the invention;
<Tb> FIG. 2 <sep> is an enlarged partial section of the illumination device according to the invention shown in FIG. 1;
<Tb> FIG. 3 <sep> in a schematic representation of the observation beam path within an observation device in which the illumination device according to the invention can be integrated;
<Tb> FIG. 4 <sep> an enlarged view of a model's eye;
<Tb> FIG. 5 <sep> exemplary beam cross-sectional areas on the cornea of the model eye according to FIG. 4;
<Tb> FIG. 6 <sep> Beam tufts cross-sectional areas for stereo observation beam paths together on the retina of a model eye with a refractive error;
<Tb> FIG. 7 <sep> Beam bundle cross-sectional areas for stereo observation beam paths on the retina of a model eye, but where the cross-sectional areas of all beam bundles coincide over the entire field of view; and
<Tb> FIG. 8 to 12 <sep> different photographic representations, which illustrate the influence of the illumination parameters on the "red reflex" and the contrasting.
1 and 2, a lighting device 40 is shown, which is part of an observation device 10. The observation device 10 should be an ophthalmological stereo surgical microscope which is used for a specific application in ophthalmic surgery, namely cataract surgery. The illumination device 40, which will be explained in more detail later, has a light source 41, which is formed in the present example as a light guide. Furthermore, a lens element 11 is provided, which in the present case is also the main objective of the observation device 10.
Between the light guide 41 and the main lens 11, a number of optical elements are provided. The object plane 12 of the object 30 to be examined is formed in the front focal point of the main objective 11. The object 30 to be examined is an eye.
For simulation purposes, the eye 30 is designed as a so-called "model eye". The practice, which has been practiced for years, has shown that for the experimental investigations to illustrate the problem of the red reflex, an aphakic (lack of eye lens) model eye adequately describes reality.
As close to reality as in an aphakic human eye, the eye lens is removed, so that the optical effect is effected solely by the curvature of the cornea 31 (FIG. 4).
For the optimal interaction of observation and illumination as a basic prerequisite for the solution of the problem of the red reflex, it is necessary that the observation pupils (device pupils) and the illumination pupil 43 (the optical fiber end 42 according to FIG. 2) point to the fundus 32 of FIG Eye 30, here the retina, be imaged.
The virtual image of the device pupil 15 is fixed at the given observation optics of the surgical microscope, about 300 mm in front of the model eye 30th
The ideal image of the device pupil 15 is then approximately in the focal plane of the model eye 30th
In contrast, by suitable design of the illumination device 40 according to FIGS. 1 and 2, the image of the illumination pupil 43, ie the image of the light guide 41, are placed exactly in the focal plane of the model eye 30.
The virtual image of the illumination pupil 43 then lies exactly at the far point, ie at infinity, with respect to the model eye 30 for this special case.
As shown in Fig. 3, the optical observation device 10 corresponds to a stereomicroscope according to the telescope principle and consists essentially of the three optical components main objective 11, magnification system 16 and binocular telescope tube and eyepieces.
The object plane 12 is located in the front focal point of the main objective 11, so that the object 30 is imaged by the main objective 11 to infinity. FIG. 3 shows only one of the two stereoscopic observation beam paths 13.
The decentering of the axis of the magnification system 16 with respect to the optical axis 14 of the main objective 11 is 11 mm, so the total stereo base between the two stereoscopic observation beam paths is 22 mm.
The device pupil 15, that is to say the intersection of all central or heavy beams of the imaging beam is located in the magnification system 16.
The optical system of the surgical microscope 10 is focused on the eye pupil. This means that the object plane 12 is located in the eye pupil of the model eye 30.
In Fig. 4, the course of the beam tufts 17 in the model eye 30 for the observation beam 13 according to FIG. 3 is shown greatly enlarged.
In this case, the optical axis 14 of the model eye 30 is identical to the optical axis of the main objective 11, so that the stereoscopic decentration of the observation, the phase object is considered at a certain stereo angle and the beam path in the right and left observation channel down to the common focus in the object points Phase level is correspondingly different.
The determining influence of the observation beam path 13 can be particularly clearly interpreted with the aid of the beam cross-sectional areas, that is to say the "tracks" which impress the ray bundles 17, 18 on the retina 32.
FIG.
5 shows by way of example beam cross-sectional areas on the cornea 31 for the middle tuft 18 and a total of eight radiation tufts 17 uniformly distributed over the edge of the image field and thus delimiting the entire image field, specifically for the left (FIG. 5a) and right (FIG. 5b) observation channel.
As can be seen from FIG. 4, these cross-sectional areas converge toward the center of the image, at the same time increasing the surface area.
The tufts cross-sectional areas on the retina 32 now differ significantly depending on the refractive error of the patient's eye in the size and the relative position to each other.
Fig. 6 shows these tufts cross-sectional areas for both stereo ray paths together on an imaginary Netzhautebene a vision-defective eye, which is about 5 mm in front of the focal plane of the model eye.
As already mentioned above, the special case in which the retina 32 lies in the focal plane of the model eye 30 is of particular importance. In this particular case, the cross-sectional areas of the tufts 17 have a diameter of about 1.2 mm.
Decisive for the homogeneity of the red reflex is that in this special case the cross-sectional areas of all pencils of rays coincide over the entire field of view, as shown in FIG.
In this case, as with the device pupil 15 (FIG. 3), all center or heavy rays of the ray bundles 17 intersect, so that the image of the device pupil 15 then lies on the retina 32.
The interaction of the illumination beam path 56 (FIG. 1) and the observation beam path 13 (FIG. 3) can now be easily interpreted on the basis of a single object point.
Namely, as shown in FIG. 4, for each object point there is a cone of rays 19 whose base 20 is the beam tuft cross-sectional area on the retina 32 and the tip 21 of which is in the respective object point in the considered object plane 12 with the phase object.
To generate the red reflection contributes primarily only a portion of the illumination light, namely that which meets the corresponding beam tuft cross-sectional areas on the retina 32 and is scattered back into the half-space, again only the proportion of exactly in the corresponding cone cones 19 backscattered light can be perceived by the observer as a red reflex. With the same irradiance through the illumination, the intensity of the red reflex in the corresponding image zones is directly proportional to the degree of illumination of the cross-sectional area.
In particular, in the event that the illuminated image of the device pupil 15 lies on the retina 32, then an equally intense, homogeneously red reflex is obtained for all pixels. This homogeneity of the red reflex does not change even with partial illumination of the image of the device pupil 15, for example in an oblique illumination, but the intensity increases or decreases depending on the degree of illumination.
The illumination of the image of the device pupil 15 on the retina 32 is now carried out with a lighting device 40, which in Figs.
1 and 2 and in an exemplary embodiment consists of the following optical components, namely a light guide 41, a first optical element 46 formed as a plano-convex lens, a first diaphragm 44 formed as a field diaphragm, a second optical element 47 formed as a plano-convex lens second aperture 45 designed as an aperture diaphragm, a cemented element 48 consisting of two lens elements 49, 50, a deflection element 51 in the form of a deflecting mirror, the main objective 11 and the model eye 30.
An enlarged view of the components according to FIG. 1 to the main objective 11, which is shared by the observation and illumination, is shown in FIG.
2 shown.
With the light guide 41, which generates the illumination beam path 56, a field diaphragm 44 is illuminated with a first plano-convex lens 46 as a collector. With a second planoconvex lens 47, the light guide 41 is then imaged in an intermediate image with aperture 45. For example, the two plano-convex lenses 46, 47 can be identically identical, and image the light guide 41 with the imaging scale 1: 1 into the aperture 45.
The field diaphragm 44 is preferably located in the front focus F1 of a composite of the second Plankonvexlinse 47 and the cemented 48 first imaginary part 52 - which is illustrated by a dashed line - so that so the field diaphragm 44 of this composite sub-optics 52 imaged to infinity becomes.
Thus, there is an afocal beam path 54 at the interface of the illumination coupling with the deflection mirror 51 in front of the main objective 11 for the luminous field image as well as in the observation. This is a necessary prerequisite for the luminous field diaphragm 44 to be moved from the main objective 11 into the object plane 12 of the stereoscopic observation. namely the phase surface, is imaged. A field stop 44 with a diameter of approximately 2.2 mm is then imaged, for example, at about 7 mm magnified in the phase object plane.
In order to image the image of the fiber end 42 from the light guide 41, that is to say the illumination pupil 43, onto the fundus 32 of the model eye 30, the virtual image of the illumination pupil 43 must be imaged in the image eye of the model eye 30 conjugated to the fundus.
As is particularly easy to see, this is achieved for the special case of the right-eye simply by the fact that the intermediate image 45 of the light guide in the front focal point F2 composed of a cemented 48 and main lens 11 second sub-optics 53 - which is also illustrated by a dashed line - is brought. In the general case of a refractive eye, this intermediate image from the front focal point F2 is exactly as far away that this intermediate image is then imaged by the second partial optics onto the virtual image plane conjugated to the retina.
In turn, for the special case of the right-eye, the second partial optics then assumes the function of the condenser in classical Köhler illumination in microscopy.
For the image of the illumination pupil 43, an afocal ray path 55 then exists in front of the eye 30. In this case, the fiber end 42 of the light guide 41 (illumination pupil 43) is imaged in a greatly reduced manner on the retina 35 of the right-eye.
The optical system data of an exemplary embodiment of the illumination device 40 according to the invention are listed in Table 1.
Extensive experimental investigations were carried out with the illumination device 40 according to the invention described above. The relevant experiments with regard to the necessary application-oriented orientation of such experimental investigations are described in more detail below.
Before that, however, a brief overview of the previous investigations will be given to clarify the objective for an application-related implementation of the findings.
The problem discussed in detail in the context of the general description results in particular from the special use of a surgical microscope in cataract surgery and consists essentially in the generation of a homogeneous red reflex over the entire eye pupil with good contrasting of the lens remains and phase structures in the lens capsule.
This results in the need for the creation of a lighting device 40 adapted to the stereoscopic observation, which meets this requirement.
An important advantage for the application-technological development of the inventive solution lies in the fact that this solution not only allows a transparent and clearly definable mathematical optical modeling of the red reflex and contrasting, but synonymous an easily understandable and unambiguous experimental representation of the Problem characterized characterizing facts.
[0086] The state of development achieved to date is based on the following mathematical-optical modeling of the red reflex and the contrasting,
which finds confirmation through practical experiments.
The red reflex is produced by the illumination of the ray bundle cross-sectional areas on the retina uniquely associated with each object point of the phase surface in the eye pupil. Ideally, the image of the device pupil on the retina come this Strahlbüschelquerschnittsflächen for all object points to cover. In the event that the illumination pupil on the retina and thus the illumination spot is minimized, even with a low degree of illumination of the stereoscopic observation pupil a homogeneous illumination of the eye pupil and thus a homogeneous red reflex is possible.
This is illustrated for example in FIG. 9.
The size of both the beam tuft cross-sectional areas and the illumination spot now strongly depends on the refractive error of the eye, in which the length of the vitreous body and thus the distance between the retina and the phase surface in the eye pupil varies more or less. In general, therefore, the illumination spot covers only a part of the beam tuft cross-sectional areas and then also generally with different degrees of illumination. From this, a more or less pronounced inhomogeneity of the red reflex is derived. An illustrative explanation for this is provided by FIG. 6.
A lateral offset of the illumination mirror and consequently of the illumination spot leads to an additional asymmetry of the inhomogeneous red reflex, which in turn can also be interpreted with reference to FIG. 6, which is also shown in FIG.
The contrasting, so the visualization of the lens residues or phase objects in the lens capsule is primarily by lighting beams tufts whose numerical aperture, ie the angle of incidence of the light rays at the location of the phase object, is greater than the numerical aperture of the observation beam tufts.
In this case, the physical-optical prerequisite for a dark-field illumination of the phase object is then present, which manifests itself for example in that the illumination pupil on the retina is spatially strictly separated from the two stereoscopic observer pupils (FIG. 10, right image). This strict separation means according to the facts shown so far, although a good contrast, but no red reflex, which results, for example, in Fig. 10, left image.
From this, however, a very decisive point of view derives: The red reflex is primarily not the cause of the contrasting of the lens residues and phase structures in the eye pupil. When contrasting, the red reflex secondarily serves as a backlight of the lens residues and phase objects originally contrasted with a dark field illumination.
According to FIG. 9, a very small proportion of the illumination light obviously suffices for this background illumination. A large part of the illumination light is therefore in the range of dark field illumination, as shown in Fig. 9, right image.
Decisive for an optimal practical implementation of the illumination device according to the invention is this recognition of the strict separation of the illumination for the red reflex from the illumination for the contrasting, and above all then also their additive superimposition according to FIG. 9.
FIGS. 11 and 12 provide further proof. There, the illumination pupil is brought directly into coincidence with one of the two observation pupils.
According to the findings so far, an extremely intense, homogeneous red reflex without contrasting, as shown in FIG. 11, is then expected in the illuminated observation pupil. For the second observation channel, this illumination again acts as pure dark field illumination with the consequence of good contrasting without a red reflex, as shown in FIG. 12.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0093]
10: observation device (surgical microscope)
11: Lens element (main lens)
12: object plane
13: observation beam path
14: optical axis
15: device pupil
16: magnification system
17: tufts of light
18: middle tuft
19: beam cone
20: Basic beam cone
21: Tip beam cone
30: object to be examined (eye / model eye)
31: cornea
32: Fundus
40: Lighting device
41: light source (light guide)
42: optical fiber end
43:
illumination pupil
44: first aperture (field diaphragm)
45: second diaphragm (aperture diaphragm)
46: first optical element
47: second optical element
48: cemented component
49: lens element
50: lens element
51: deflection element (deflecting mirror)
52: first partial optics
53: second partial optics
54: afocal ray path
55: afocal ray path
56: Illumination beam path
F1: front focal point of the first partial optics
F2: front focal point of the second partial optics